Manuel p. 38 Description microscopique de la matière

17

LE PROGRAMME

• 1. Constitution de la matière de l’échelle macroscopique à l’échelle microscopiqueL’objectif de cette partie est d’aborder les deux échelles de description de la matière qui vont rendre compte de ses propriétés physiques et chimiques. Les concepts d’espèce et d’entité chimique intro-duits au collège sont ainsi enrichis. […]Au niveau atomique, la description des entités chimiques est complétée par les ordres de gran-deur de taille et de masse de l’atome et du noyau et par le modèle du cortège électronique pour les trois premières lignes de la classification périodique. […]

Le changement d’échelle entre les niveaux macros-copique et microscopique conduit à une première approche de la quantité de matière (en moles) dans un échantillon de matière en utilisant la défi-nition de la mole, une mole contenant exactement 6,022 140 76 × 1023 entités élémentaires.

Notions abordées au collège (cycle 4)[…] Échelle microscopique : molécules, atomes et ions, constituants de l’atome (noyau et électrons) et du noyau (neutrons et protons) […].

Notions et contenusCapacités exigibles

Activités expérimentales support de la formation

Du macroscopique au microscopique, de l’espèce chimique à l’entité.Entités chimiques : molécules, atomes, ions.

Définir une espèce chimique comme une collection d’un nombre très élevé d’entités identiques.

Le noyau de l’atome, siège de sa masse et de son identité.Numéro atomique, nombre de masse, écriture conventionnelle : ZAX ou A X.Élément chimique.Masse et charge électrique d’un électron, d’un proton et d’un neutron, charge électrique élémentaire, neutralité de l’atome.

Citer l’ordre de grandeur de la valeur de la taille d’un atome.Comparer la taille et la masse d’un atome et de son noyau.Établir l’écriture conventionnelle d’un noyau à partir de sa composition et inversement.Capacités mathématiques : effectuer le quotient de deux grandeurs pour les comparer. Utiliser les opérations sur les puissances de 10. Exprimer les valeurs des grandeurs en écriture scientifique.

Le cortège électronique de l’atome définit ses propriétés chimiques.Configuration électronique (1s, 2s, 2p, 3s, 3p) d’un atome à l’état fondamental et position dans le tableau périodique (blocs s et p).Électrons de valence.Familles chimiques.

Déterminer la position de l’élément dans le tableau périodique à partir de la donnée de la configuration électronique de l’atome à l’état fondamental.Déterminer les électrons de valence d’un atome (Z ≤ 18) à partir de sa configuration électronique à l’état fondamental ou de sa position dans le tableau périodique.Associer la notion de famille chimique à l’existence de propriétés communes et identifier la famille des gaz nobles.

Compter les entités dans un échantillon de matière.Nombre d’entités dans un échantillon.Définition de la mole.Quantité de matière dans un échantillon.

Déterminer le nombre d’entités et la quantité de matière (en mol) d’une espèce dans une masse d’échantillon.

CHAPITRE

2Manuel p. 38

THÈME 1CONSTITUTION ET

TRANSFORMATIONS DE LA MATIÈRE

Description microscopique de la matière

18

• 2. Modélisation des transformations de la matière et transfert d’énergie

Notions et contenusCapacités exigibles

Activités expérimentales support de la formation

Isotopes Identifier des isotopes.

POUR VÉRIFIER LES ACQUIS

Il s’agit ici de vérifier un acquis du cycle 4 à savoir la connaissance des constituants de l’atome (noyau et électrons) et du noyau (neutrons et protons).

››Exemple de réponse attendueLes trois types de constituants de l’atome sont :– les protons et les neutrons, les deux situés dans le noyau ;– les électrons situés dans le cortège électronique, autour du noyau.

››En classe de 2de

La description de l’atome vue au collège est com-plétée par les ordres de grandeur des tailles de l’atome et du noyau.L’activité 1, outre l’aspect historique de l’évolu-tion du modèle de l’atome, permet d’appréhender cette notion importante. On exploitera la capacité mathématique qui consiste à effectuer le quotient de deux grandeurs pour les comparer.L’activité 4 abordera la notion de quantité de matière et la définition de la mole.

Cette situation permet de vérifier que les élèves savent que l’atome est électriquement neutre, un autre acquis du cycle 4.

››Exemple de réponse attendueDans un atome, puisque le nombre Z de protons est égal au nombre d’électrons, la charge négative des électrons est contrebalancée par la charge positive des protons du noyau. L’atome est donc électriquement neutre.


La neutralité de l’atome sera exploitée lors de l’écri-ture conventionnelle de son noyau et de la descrip-tion de son cortège électronique.L’activité 2 montre comment la configuration élec-tronique permet de déterminer la position d’un élé-ment chimique dans le tableau périodique.La notion de famille chimique est abordée dans l’activité 3.

Dans cette dernière situation, il s’agit de vérifier encore un acquis du cycle 4, à savoir que le noyau concentre la quasi-totalité de la masse de l’atome.

››Exemple de réponse attendueC’est le schéma A qui illustrerait le mieux la situa-tion car les électrons ont une masse négligeable par rapport à celle des nucléons ; on dit que le noyau concentre la masse de l’atome.


Les notions vues au collège sont complétées éga-lement par les ordres de grandeur des masses res-pectives de l’atome et de son noyau. On utilisera l’écriture scientifique pour exprimer les valeurs de ces grandeurs.

ACTIVITÉS

p. 40 ❚

L’atome au fil du temps �� Classe inversée

Commentaires pédagogiques et compléments expérimentaux

■ Animation(→ disponible par l’application Bordas Flashpage, ainsi que sur les manuels numériques enseignant et élève.)›◗ L’atome ❚›p. 40

Cette animation permet de décrire l’atome et son évolution à travers les âges.

››Exploitation et analyse1 Les cinq dates clés de l’élaboration du modèle

de l’atome sont :• 4e siècle av. J.-C, Démocrite prédit l’existence de l’atome ;• 1897, Thomson découvre l’électron ;• 1909, Rutherford met en évidence le noyau de l’atome ;• 1913, Bohr propose le modèle planétaire de l’atome dans lequel les électrons gravitent autour du noyau ;• 1926, Schrödinger propose le modèle quantique : les électrons se trouvent dans le nuage électro-nique, mais le concept de trajectoire est abandonné.

❚›p. 38

SITUATION 1

SITUATION 2

SITUATION 3

ACTIVITÉ 1

19CHAPITRE 2 • DEsCRIPTIon MICRosCoPIquE DE LA MATIèRE

2 Le noyau doit être très petit par rapport à la taille de l’atome puisqu’en traversant une feuille d’or faite d’atomes, la quasi-totalité des particules alpha traverse ces atomes sans rencontrer le noyau.Le noyau n’occupe donc qu’une très petite partie du volume d’un atome : on peut affirmer que l’atome est presque exclusivement constitué de vide (on parle de structure lacunaire de la matière).

››Synthèse3 La matière est composée d’atomes. Un atome

est constitué d’un noyau de charge électrique positive, entouré d’électrons, de charge électrique négative.La charge électrique du noyau est la même que celle des électrons en valeur mais de signe opposé. L’atome est donc électriquement neutre.Le diamètre d’un noyau est cent mille fois plus petit que celui de l’atome.

p. 41 ❚

Le germanium dans le tableau périodique �� Démarche d’investigation

Commentaires pédagogiques et compléments expérimentaux

■ Animation(→ disponible par l’application Bordas Flashpage, ainsi que sur les manuels numériques enseignant et élève.)›◗ Tableau périodique des éléments ❚›p. 41

Cette animation permet de repérer la position des éléments chimiques dans le tableau périodique et d’obtenir la configuration électronique des atomes à l’état fondamental.

››Pistes de résolution1 La configuration électronique du silicium est :

1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 (ou Ne 3s2 3p2)La configuration électronique du germanium est : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p2 (ou Ar 3d10 4s2 4p2)

2 En comparant les configurations électro-niques, on constate que leur couche électronique externe (la troisième couche 3s2 3p2 pour le silicium et la quatrième couche pour le germanium 4s2 4p2) contient le même nombre d’électrons (4 = 2 + 2). On dit qu’ils ont quatre électrons de valence.

››Conclusion3 L’hypothèse émise est : le germanium et le sili-

cium sont situés dans la même colonne du tableau périodique.Ces deux éléments chimiques sont en effet situés dans la même colonne du tableau périodique comme le montre le document 1.

4 L’autre argument utilisé par Mendeleïev est : silicium et germanium ont des propriétés simi-laires. Ils sont tous les deux semi-métalliques, semi-conducteurs, de même structure cristalline, et utilisés dans la composition des verres. Ils appar-tiennent bien à la même famille.

p. 42 ❚

Les halogènes �� TP

Commentaires pédagogiques et compléments expérimentauxDans cette activité expérimentale, on mettra l’ac-cent sur les consignes de sécurité à respecter.

››Expériences et analyse2 Les pictogrammes de sécurité présents sur le

flacon de cyclohexane montrent qu’il est inflam-mable, irritant, nocif et dangereux pour l’environ-nement, donc il faut manipuler sous la hotte.

3 Expérience 1a. Avant agitation, il y a deux phases dans chaque tube.La phase supérieure, le cyclohexane, est incolore.La phase inférieure est constituée des solutions aqueuses colorées respectivement en jaune très pâle, jaune et orange.Les deux liquides mélangés ne sont donc pas miscibles.b. Après agitation, il y a deux phases.La couleur de chacune des phases supérieures est respectivement jaune pâle, orange et violet.Les dihalogènes (dichlore, dibrome, diiode) sont plus solubles dans le cyclohexane que dans l’eau.

4 Expérience 2À la fin de l’expérience 2, on observe la formation d’un précipité dans chaque tube.

››Conclusion5 Les trois atomes de chlore, de brome et d’iode

ont deux propriétés chimiques semblables :– sous forme de molécules diatomiques, ils sont plus solubles dans le cyclohexane que dans l’eau ;– sous forme d’ions, ils réagissent avec les ions argent pour donner un précipité.Leur configuration électronique se termine de la même façon (s2 p5) : Cl, Br et I possèdent le même nombre d’électrons sur leur couche la plus externe, soit 7 électrons de valence. Ils appartiennent bien à la même famille chimique : celle des halogènes.

ACTIVITÉ 2

ACTIVITÉ 3

20

p. 43 ❚

La mole, unité de quantité de matière �� Démarches différenciées

Commentaires pédagogiques et compléments expérimentauxCette activité s’intéresse à la nouvelle définition de la mole, entrée en vigueur en mai 2019.

››Démarche experteLa mole était définie à partir d’une mesure de la masse d’un échantillon de carbone, une incertitude sur cette masse impliquait aussi une incertitude sur la mole. La référence à la masse ayant disparu de la nouvelle définition de la mole, il n’était pas obliga-toire de modifier la définition du kilogramme pour bénéficier de cette amélioration.

››Démarche avancée1. Jusqu’en 2018, la mole était définie à partir d’une mesure de la masse d’un échantillon de carbone.2. La mesure de masse entachée d’incertitude se répercutait sur la précision de la mole.La référence à la masse a disparu de la nouvelle définition de la mole, qui précise maintenant le nombre exact d’entités chimiques dans une mole.

››Démarche élémentaire1. Les cylindres de référence subissent des varia-tions de masse au cours du temps, ceci engendrait une incertitude sur la valeur du kilogramme.2. Comme la mole était définie à partir d’une mesure de la masse d’un échantillon de carbone, une incertitude sur la masse impliquait aussi une incertitude sur la mole.3. La référence à la masse a disparu de la nouvelle définition de la mole, qui précise maintenant le nombre exact d’entités chimiques dans une mole.

EXERCICES

Vérifier l’essentiel 1 A et B.4 A.7 C.

10 B.

2 A et C.5 A et C.8 A et C.

11 B.

3 A.6 B.9 C.

12 B.

Acquérir les notions

››Le noyau de l’atome ❚›p. 49

13 On sait que dans l’écriture XZA , A est le nombre de nucléons et Z le nombre de protons, égal aussi au nombre d’électrons.

■ Platine :78 électrons, donc on a 78 protons, d’où Pt78

195 .195 nucléons – 78 protons = 117 neutrons

■ Cuivre :29 électrons, donc on a 29 protons.29 protons + 34 neutrons = 63 nucléons, d’où Cu29

63 .

■ Or : Au79197

On a 197 nucléons et 79 protons.197 nucléons – 79 protons = 118 neutrons79 protons, c’est aussi 79 électrons.

■ Argent :47 électrons, donc on a 47 protons, d’où Ag47

108 .108 nucléons – 47 protons = 61 neutrons

Atome

PlatinePt

CuivreCu

OrAu

ArgentAg

Symbole du noyau Pt78195 Cu29

63 Au79197 Ag47

108

Nombre

électrons 78 29 79 47

protons 78 29 79 47

neutrons 117 34 118 61

nucléons 195 63 197 108

14 1. L’atome de soufre possède 16 électrons.2. Son noyau est constitué de 16 protons et 16 neutrons.3. L’ordre de grandeur de cet atome est 10−10 m.

15 1. Le quotient de ces deux diamètres est :100

1 10 3× − = 1 × 105

2. Le diamètre approximatif du noyau est :

Dnoyau = Dquotient

atome

Dnoyau = 1 101 10

10

5

××

−

Dnoyau = 1 × 10−15 m3. L’atome est constitué, en grande partie, de vide.

16 1. Le symbole du noyau d’uranium est U92235 ,

donc :• 235 est le nombre de nucléons A, c’est-à-dire le nombre de protons et de neutrons ;• 92 est le numéro atomique Z, c’est-à-dire le nombre de protons.235 − 92 = 143, le nombre de neutrons est 143.Le noyau d’uranium est donc composé de 92 pro-tons et 143 neutrons.

ACTIVITÉ 4

❚›p. 48


2. a. La masse du noyau est égale à la masse de ses nucléons :mnoyau = 235 × mnumnoyau = 235 × 1,67 × 10−27 mnoyau = 3,92 × 10−25 kgb. La masse de l’atome correspondant est égale à la masse du noyau et des électrons.Comme l’atome est électriquement neutre, on a :nombre d’électrons = nombre de protonsDonc, il y a 92 électrons.On peut écrire :matome = 235 × mnu + 92 × mematome = 235 × 1,67 × 10−27 + 92 × 9,11 × 10−31

matome = 3,92 × 10−25 + 8,38 × 10−4 × 10−25

matome = 3,92 × 10−25 + 0,000838 × 10−25

matome = (3,92 + 0,000838) × 10−25 matome = 3,92 × 10−25 kg

3. Relativement au nombre de chiffres significatifs choisi, les deux masses trouvées mnoyau et matome sont égales. La masse des électrons du cortège électronique est donc négligeable par rapport à la masse du noyau.

17 1. Des isotopes sont des atomes ou des ions qui ont le même nombre d’électrons et de protons, mais des nombres de neutrons différents.2. a. Il existe trois isotopes de l’atome d’oxygène.b. La composition du noyau est :– pour l’isotope 16O, 8 protons et 8 neutrons ;– pour l’isotope 17O, 8 protons et 9 neutrons ;– pour l’isotope 18O, 8 protons et 10 neutrons.3. a. Il existe deux isotopes de l’atome de chlore.b. La composition du noyau est :– pour l’isotope 35Cl, 17 protons et 18 neutrons ;– pour l’isotope 37Cl, 17 protons et 20 neutrons.

18 Le phosphore 32 est communément utilisé comme traceur isotopique.Le numéro atomique du phosphore est 15.1. Donner le nombre de constituants de cet atome.2. Que signifie « isotopes » ?3. Écrire le symbole d’un isotope qui possède 16 neutrons.

Corrigé :1. L’atome de phosphore 32 est composé de 15 électrons, 15 protons et 17 neutrons.(32 – 15 = 17).2. Des isotopes sont des atomes de même numéro atomique A, mais qui diffèrent par leur nombre de neutrons N = A − Z. 3. Le symbole d’un isotope qui possède 16 neu-trons s’écrit : P31

15 .

››Le cortège électronique ❚›p. 50

19 La première configuration est impossible car la sous-couche 2s doit contenir 2 électrons.La deuxième configuration est impossible car la sous-couche 2p doit être remplie (jusqu’à 6 élec-trons) avant la sous-couche 3s.La troisième configuration est vraie.

20 1. Le symbole du noyau d’oxygène est O816 , donc :• 16 est le nombre de nucléons A, c’est-à-dire le nombre de protons et de neutrons ;• 8 est le numéro atomique Z, c’est-à-dire le nombre de protons.Comme le nombre d’électrons est égal au nombre de protons, donc cet atome possède 8 électrons.Par ailleurs, d’après l’énoncé, on sait que la configu-ration de l’atome d’oxygène est 1s2 2s2 2p4, on peut en déduire le nombre d’électrons (c’est la somme des exposants) : 2 + 2 + 4 = 8. 2. Oui, la couche 1 est complète avec deux électrons.

21 1. Les notations 1s, 2s, 2p… correspondent aux sous-couches électroniques de la configuration électronique de l’argon.2. 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

1re couche 2e couche 3e couche

2 électrons sont présents sur la première couche.8 électrons sont présents sur la deuxième couche, de même pour la troisième couche.3. Cet atome possède au total 18 électrons (2 + 8 + 8).

22 1. Le symbole du noyau d’hélium est He24 , donc :

• 4 est le nombre de nucléons A, c’est-à-dire le nombre de protons et de neutrons ;• 2 est le numéro atomique Z, c’est-à-dire le nombre de protons.Comme le nombre d’électrons est égal au nombre de protons, donc cet atome possède 2 électrons.2. Sa configuration électronique à l’état fondamen-tal est 1s2.

››Le tableau périodique ❚›p. 50

23 1. Les électrons de valence sont les électrons de la couche la plus externe de l’élément chimique. La configuration électronique du néon est :

1s2 2s2 2p6

donc le néon possède 8 électrons de valence.2. La famille des gaz nobles est située dans la der-nière colonne du tableau périodique.3. On peut citer l’hélium He et l’argon Ar.

22

24 En consultant le tableau périodique en rabat VI, on peut compléter ce tableau :

Famille Colonne Nombre d’électrons sur la couche externe

Alcalino-terreux

deuxième 2

Gaz nobles dernière 2 ou 8

Halogènes avant-dernière 7

Alcalins première 1

25 1. La dernière colonne du tableau périodique constitue la famille des gaz nobles dont le nombre des électrons de valence est le même (au nombre de 8) sauf pour l’hélium (au nombre de 2). Donc on peut compléter la case bleue vide avec l’atome 18Ar qui a pour configuration électronique1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 et se situe sous 10Ne.2. L’argon Ar appartient à la famille des gaz nobles.

26 1. On appelle famille chimique tous les élé-ments chimiques situés dans une même colonne du tableau périodique.2. Tous les éléments d’une même colonne ont des propriétés chimiques analogues.3. Le point commun est le même nombre d’élec-trons sur leur couche électronique externe.4. Lorsque leur numéro atomique augmente, le nombre d’électrons externes ne change pas, mais ces électrons sont situés sur une couche d’ordre supérieur.

››Compter les entités chimiques ❚›p. 51

27 1. La relation entre N, n et NA est :N = n · NA

avec n en mol et NA en mol−1.2. NA = 6,02 × 1023 mol−1

Échantillon N n

1 1,5 × 1021 2,5 mmol

2 1,20 × 1022 2,0 × 10−2 mol

3 1,3 × 1021 2,1 × 10−3 mol

4 2,41 × 1024 4,0 mol

28 1. D’après le cours, on sait qu’un échantillon de masse méch. contient un nombre N d’atomes égal à :

N = mm

éch.

atome

La masse de l’échantillon de carbone est méch. = 6 g. Il faut convertir la masse en kg : méch. = 6,0 × 10−3 kg.La masse d’un atome de carbone estmatome = 2,0 × 10−26 kg, donc :

N = 6,0 102,0 10

3

26

××

−

−

N = 3,0 × 1023

Cet échantillon contient N = 3,0 × 1023 atomes de carbone.2. D’après le cours, on sait que la quantité de matière n, exprimée en mol, est :

n = NNA

avec N le nombre d’entités chimiques et NA la constante d’Avogadro : NA = 6,02 × 1023 mol−1.

n = 3,0 106,02 10

23

23

××

n = 0,5 mol3,0 × 1023 atomes de carbone représentent une quantité de matière égale à 0,5 mol.

29 1. Cet échantillon de fer contient :N = n · NAN = 2,5 × 6,02 × 1023 N = 1,5 × 1024 atomes de fer2. La masse d’un atome de fer est :

matome = mNéch.

matome = 1401,5 1024×

matome = 9,3 × 10−23 g

30 1. Pour respecter la neutralité de la matière, il y a autant d’ions sodium que d’ions chlorure, soit 24 × 1023 ions.2. La quantité de matière n d’ions chlorure, pré-sente dans l’échantillon est :

n = NNA

n = 24 106,02 10

23

23

××

n = 4,0 mol3. La masse m des ions chlorure dans l’échantillon est :m = N · mionm = 24 × 1023 × 6,2 × 10−26 m = 1,5 × 10−1 g

Exercices similaires aux exercices résolus

32 1. Le numéro atomique Z est aussi le nombre de protons (= nombre d’électrons).Z = 7 donc l’azote possède 7 électrons.

❚›p. 52 et 53


La masse m du cortège électronique est la masse des 7 électrons, donc :m = 7 × mem = 7 × 9,11 × 10−31

m = 6,38 × 10−30 kg2. La masse m' du noyau de l’atome d’azote est égale à la masse de ses nucléons.L’atome d’azote a 7 neutrons et 7 protons (puisque Z = 7), donc 14 nucléons :m' = 14 × mnum' = 14 × 1,67 × 10−27 m' = 2,34 × 10−26 kg 3. La masse de l’atome d’azote est la somme de m et m' :matome = 2,34 × 10−26 + 6,38 × 10−30

matome = 2,34 × 10−26 + 6,38 × 10−4 × 10−26

matome = 2,34 × 10−26 + 0,000638 × 10−26

matome = (2,34 + 0,000638) × 10−26 matome = 2,34 × 10−26 kgmatome = m' donc la masse de l’atome est égale à la masse du noyau.On peut conclure que la masse des électrons du cortège électronique est négligeable par rapport à la masse du noyau.

33 1. Le symbole d’un noyau X est ZAX :• A est le nombre de nucléons, c’est-à-dire le nombre de protons et de neutrons ;• Z est le numéro atomique, c’est-à-dire le nombre de protons.Le noyau de béryllium contient :• 4 protons, donc Z = 4 ;• 4 protons et 5 neutrons, donc A = 4 + 5 = 9 nucléons.Le symbole du béryllium est Be9

4 .2. Comme la masse de l’atome est concentrée dans son noyau, la masse de l’atome de béryllium est :matome = 9 × mnumatome = 9 × 1,67 × 10−27 matome = 1,50 × 10−26 kg3. a. La masse de tous les électrons est :mélectrons = 4 × memélectrons = 4 × 9,11 × 10−31

mélectrons = 3,64 × 10−30 kgb. mélectrons = 0,000364 × 10−26 kget matome = 1,50 × 10−26 kg, mélectrons < matome donc la masse des électrons est négligeable par rapport à celle du noyau.La masse du noyau de beryllium est :mnoyau = 1,50 × 10−26 kg

35 1. Les éléments chimiques sont classés par numéro atomique Z croissant (Z est le nombre de protons, c’est aussi le nombre d’électrons).

• Dans une même colonne, les éléments chimiques ont le même nombre d’électrons sur la couche la plus externe, ici 1 électron sur la couche 1s pour H, 1 électron sur la couche 2s pour Li, 1 électron sur la couche 3s pour Na.• Au niveau d’une même ligne, une même couche d’électrons se complète de gauche à droite.Le sodium Na est situé juste avant le magnésium Mg, donc la configuration électronique de Na ne peut être que 1s2 2s2 2p6 3s1.

H1s1

Li1s2 2s1

Be?

Na1s2 2s2 2p6 3s1

Mg1s2 2s2 2p6 3s2

2. L’autre élément qui doit faire partie de la même famille chimique que le sodium est le lithium Li car il est situé dans la même colonne.3. Le béryllium comporte 2 électrons de valence car il se trouve dans la même colonne que le magnésium.(Les électrons de valence sont les électrons de la couche la plus externe.)

Croiser les notions 36 1. Le soufre qui se trouve deux colonnes avant

les gaz nobles possède 6 électrons de valence.2. Les symboles des isotopes stables sont :S16

32 , S1633 , S16

34 et S1636 .

3. Ces isotopes ne possèdent pas le même nombre de neutrons, ils en possèdent respectivement 16, 17, 18 et 20.

37 1. Le nombre de masse A = 23 est le nombre de nucléons, c’est-à-dire le nombre de protons et de neutrons.N = 12 neutrons, donc le nombre de protons est 23 − 12 = 11. Le noyau de sodium est composé de 11 protons et 12 neutrons.2. a. Des isotopes sont des atomes de même numéro atomique Z mais qui diffèrent par leur nombre de neutrons.b. Le noyau isotope qui possède 24 nucléons a un neutron de plus.3. La configuration électronique du Na est1s2 2s2 2p6 3s1 : possédant un seul électron sur sa couche externe, le sodium est situé dans la pre-mière colonne du tableau périodique.

❚›p. 54

24

4. Ces atomes ont des propriétés chimiques analogues.5. D’après le cours, on sait que la quantité de matière n, exprimée en mol, est :

n = NNA

avec N le nombre d’entités chimiques et NA la constante d’Avogadro : NA = 6,02 × 1023 mol−1.On cherche le nombre d’atomes N et on connaît n = 225 mmol = 225 × 10−3 mol, donc :N = n · NAN = 225 × 10−3 × 6,02 × 1023

N = 1,35 × 1023 Il y a 1,35 × 1023 atomes de sodium dans 225 mmol de sodium.6. D’après le cours, on sait qu’un échantillon de masse méch. contient un nombre N d’atomes égal à :

N = mm

éch.

atomeDonc : méch. = N · matome .La masse de l’atome mNa = 1,84 × 10−26 kget N = 1,35 × 1023 atomes.mNa = 1,35 × 1023 × 1,84 × 10−26 mNa = 2,48 × 10−3 kgmNa = 2,48 g1,35 × 1023 atomes de sodium représentent une masse de 2,48 g de sodium.

38 1. Le nombre Z de protons qui composent ce

noyau est : Z = eq .

q est la charge électrique du noyau d’un atome de fluor : q = 1,44 × 10−18 C.e est la charge élémentaire : e = 1,60 × 10−19 C.

Z = 1,44 101,60 10

18

19

××

−

−

Z = 92. Le nombre d’électrons est 9 pour respecter la neutralité électrique de l’atome.3. Le nombre de neutrons N est : N = A − Z.Le symbole du fluor est F919 donc N = 19 – 9 = 10. 4. a. La masse m de l’atome de fluor est :m = 19 × mnu + 9 × mem = 19 × 1,67 × 10−27 + 9 × 9,11 × 10−31

m = 3,17 × 10−26 + 81,99 × 10−31

m = 3,17 × 10−26 + 0,0008199 × 10−26

m = (3,17 + 0,00082) × 10−26 m = 3,17 × 10−26 kgb. On peut négliger la masse des électrons par rap-port à celle des nucléons.

39 1. L’atome de calcium Ca2040 est composé de

20 électrons, 20 protons et 20 neutrons.

2. La masse m de l’atome de calcium est :m = 40 × mnu + 20 × mem = 40 × 1,67 × 10−27 + 20 × 9,11 × 10−31

m = 6,68 × 10−26 + 182,2 × 10−31

m = 6,68 × 10−26 + 0,0018 × 10−26

m = (6,68 + 0,0018) × 10−26 m = 6,68 × 10−26 kgLa masse m' du noyau de calcium est :m' = 40 × mnum' = 40 × 1,67 × 10−27 m' = 6,68 × 10−26 kgLa masse des électrons est négligeable par rapport à celle du noyau.

3. Le noyau de l’isotope 2 a le symbole Ca2042 , le noyau

de l’isotope 3, Ca2043 et le noyau de l’isotope 4, Ca20

44 .

40 On considère la configuration électronique de l’atome de béryllium et de l’atome de magnésium :Be 1s2 2s2

Mg 1s2 2s2 2p6 3s2

1. Quel est le numéro atomique de ces atomes ?2. Combien de protons les noyaux de ces atomes contiennent-ils ?3. Remarquez-vous une différence quant au nombre d’électrons sur la couche externe de ces atomes ?4. Où ces atomes sont-ils situés dans le tableau périodique ?5. Comment appelle-t-on les éléments d’une même colonne ?

Corrigé :1. Le numéro atomique Z est le nombre de protons, c’est aussi le nombre d’électrons.À partir de la configuration électronique, on peut déduire le nombre d’électrons, donc :– pour Be, Z = 2 + 2 = 4 ; – pour Mg, Z = 2 + 2 + 6 + 2 = 12.2. Le noyau de Be contient 4 protons et le noyau de Mg, 12 protons.3. Le nombre d’électrons de la couche externe des deux atomes est le même : 2 électrons.4. Ces atomes sont situés dans la deuxième colonne du tableau périodique.5. Les éléments d’une même colonne constitue une famille d’éléments.

41 1. C’est le numéro atomique Z qui caractérise un élément chimique.2. Les éléments cités sont l’iode I, le brome Br, le tungstène W et le néon Ne.3. La configuration électronique du Ne est1s2 2s2 2p6, il possède donc 8 électrons de valence.


4. Le néon appartient à la famille des gaz nobles car il possède 8 électrons sur sa couche externe.5. Le noyau de néon est composé de 10 protons et 10 neutrons.

6. Les trois noyaux W sont isotopes car ils pos-sèdent le même numéro atomique mais des nombres de nucléons différents.

42 1. a. L’élément Mg est situé sur la troisième ligne et dans la 2e colonne du tableau périodique, donc la couche électronique externe porte le numéro 3.

1

Hhydrogène

3

Lilithium

4 9,0

Bebéryllium

4

Bebéryllium

11

Nasodium

12

Mgmagnésium

19

Kpotassium

20

Cacalcium

21

Scscandium

22

Tititane

23

Vvanadium

24

Crchrome

25

Mnmanganèse

26

Fefer

27

Cocobalt

28

Ninickel

29

Cucuivre

30

Zzinc

31

Ggallium

32

Gegermanium

33

Aarsenic

34

Ssélénium

35

Brbrome

36

Krkrypton

13

Alaluminium

14

Sisilicium

15

Pphosphore

16

Ssoufre

17

Clchlore

18

Arargon

5

Bbore

6

Ccarbone

7

Nazote

8

Ooxygène

9

Ffluor

10

Nenéon

2

Hhélium

37

Rbrubidium

38

Srstrontium

39

Yyttrium

40

Zrzirconium

41

Nbniobium

42

Momolybdène

43

Tctechnétium

44

Ruruthénium

45

Rhrhodium

46

Pdpalladium

47

Agargent

48

Cdcadmium

49

Inindium

50

Snétain

51

Sbantimoine

52

Ttellure

53

Iiode

54

Xexénon

55

Cscésium

56

Babaryum

57

La*lanthane

72

Hfhafnium

73

Tatantale

74

Wtungstène

75

Rerhénium

76

Ososmium

77

Iriridium

78

Ptplatine

79

Auor

80

Hgmercure

81

Tlthallium

82

Pbplomb

83

Bibismuth

84

Popolonium

85

Atastate

86

Rnradon

1

2

3

4

5

6

1

2

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 17

18

Familles (colonnes)

Périodes(lignes)

e

1

Hhydrogène

3

Lilithium

4 9,0

Bebéryllium

4

Bebéryllium

11

Nasodium

12

Mgmagnésium

1

2

3

1

2

Familles (colonnes)

Périodes(lignes)

b. Il possède 2 électrons sur cette couche.2. Le tableau périodique indique que le numéro ato-mique du Mg est Z = 12, donc il possède 12 électrons ; la seule configuration électronique correspondante est 1s2 2s2 2p6 3s2 (en effet, 2 + 2 + 6 + 2 = 12).

12

Mgmagnésium

numéroatomique symbole

nom

3. L’élément situé immédiatement avant le magné-sium possède un seul électron sur sa couche externe.4. a. La configuration électronique de l’atome situé juste au-dessus du magnésium est 1s2 2s2.b. Le numéro atomique de cet élément est Z = 4.c. Le symbole d’un atome de béryllium qui possède 5 neutrons est Be4

9 .(5 neutrons + 4 protons = 9 nucléons et nombre d’électrons = nombre de protons.)5. La masse m d’un morceau de magnésium qui contient N = 2,00 × 1023 atomes de magnésium est :m = N · matome

m = 2,00 × 1023 × 4,01 × 10−26

m = 8,01 g6. 8,01 g de magnésium représentent une quantité de matière n :

n = NNA

n = 2,00 106,02 10

23

23

××

n = 0,33 mol

43 ››Démarche avancée1. Pour vérifier la neutralité électrique de l’atome, on calcule qatome :qatome = qélectrons + qprotonsqatome = 3 × (− e) + 3 × eqatome = 0 C, donc l’atome est électriquement neutre.2. La masse de l’atome est :matome = 7 × mnu + 3 × mematome = 7 × 1,67 × 10−27 + 3 × 9,11 × 10−31

matome = 1,17 × 10−26 + 2,73 × 10−30

matome = 1,17 × 10−26 kgLa masse du noyau est :mnoyau = 7 × mnumnoyau = 7 × 1,67 × 10−27 mnoyau = 1,17 × 10−26 kgDonc la masse de l’atome est essentiellement contenue dans le noyau.

››Démarche élémentaire1. a. L’atome de lithium possède 3 électrons et 3 protons.b. La charge des électrons est :qélectrons = 3 × (− e)

26

qélectrons = − 3 × eqélectrons = − 3 × 1,60 × 10−19 qélectrons = − 4,80 × 10−19 CLa charge des protons est :qprotons = 3 × eqprotons = 3 × eqprotons = 3 × 1,60 × 10−19 qprotons = 4,80 × 10−19 C2. La charge du noyau est :qnoyau = qprotons

La charge de l’atome est :qatome = qélectrons + qprotonsqatome = 3 × (− e) + 3 × eqatome = 0 C, donc l’atome est électriquement neutre.3. a. La masse de l’atome de lithium est :matome = 7 × mnu + 3 × mematome = 7 × 1,67 × 10−27 + 3 × 9,11 × 10−31

matome = 1,17 × 10−26 + 2,73 × 10−30

matome = 1,17 × 10−26 kgb. La masse du noyau est :mnoyau = 7 × mnumnoyau = 7 × 1,67 × 10−27 mnoyau = 1,17 × 10−26 kgDonc la masse de l’atome est essentiellement contenue dans le noyau.

44 1. a. Mendeleïev a classé les éléments par masse croissante.b. Les critères de classification actuels ne sont pas les mêmes que ceux utilisés par Mendeleïev. Aujourd’hui, les éléments sont classés par numéro atomique Z croissant.2. Ces éléments inconnus ont les mêmes proprié-tés chimiques que ceux de la série avec lesquels il les a regroupés.3. On appelle les séries de Mendeleïev, des familles.

45 1. a. La masse m1 d’un atome d’aluminium est :m1 = 27 × mnu + 13 × mem1 = 27 × 1,67 × 10−27 + 13 × 9,11 × 10−31

m1 = 4,51 × 10−26 + 1,2 × 10−29

m1 = 4,51 × 10−26 kgb. La masse m2 du noyau est :m2 = 27 × mnum2 = 27 × 1,67 × 10−27 m2 = 4,509 × 10−26 kg

c. ∆m = m mm

1001 2

1

−×

∆m = 4,51 10 4,509 104,51 10

26 26

26

× − ××

− −

− × 100

∆m = 4,51 4,5094,51

− × 100

∆m = 2,21 × 10−2

∆m = 0,02 %d. La valeur de ce pourcentage montre que m1 et m2 sont très proches. On peut conclure que la masse des électrons est négligeable par rapport à celle des nucléons.2. Soit N le nombre d’atomes d’aluminium que l’on cherche. On sait que N = n · NA avec n la quantité de matière, fournie par l’énoncé :n = 3,68 × 10−5 mol par kg de masse corporelle.Donc, pour une personne de 70 kg :N = 70 × n · NAN = 70 × 3,68 × 10−5 × 6,02 × 1023

N = 1,55 × 1021 atomes d’aluminium3. 1,55 × 1021 atomes d’aluminium correspondent à une masse m égale à :m = N · matomem = N · m1m = 1,55 × 1021 × 4,51 × 10−26

m = 7,00 × 10−5 kg4. La dose tolérable (en mg par kg…) est :7,00 10

70

5× − = 1,0 × 10−6 kg = 1,0 mg

46 Les éléments chimiques sont classés horizontale-ment par numéro atomique Z croissant.Les éléments ayant le même nombre d’électrons sur leur couche électronique externe sont placés dans la même colonne.On écrit la structure électronique des 18 éléments, classés par numéro atomique croissant.On dispose H et He sur la première ligne.Pour Li, on passe à la ligne suivante car il a le même nombre d’électrons sur sa couche électronique externe que H (un seul). Puis, on aligne les élé-ments Be, B, C, N, O, F, Ne.Pour Na, on passe à la 3e ligne, puis on aligne les éléments Mg, Al, Si, P, S, Cl, Ar.Enfin, on déplace He au-dessus de Ne et Ar car ils ont des propriétés chimiques similaires.

47 Un atome est constitué d’un noyau qui est entouré d’un cortège électronique.La masse d’un atome est concentrée dans son noyau qui comporte des protons et des neutrons.Le diamètre d’un atome est voisin de 10–10 m, son noyau est cent mille fois plus petit.

EXEMPLE D’EXPOSÉ ORAL


Acquérir des compétences 48 ››Analyse

1. Le diamètre du noyau de l’atome est voisin de 10–15 m.2. La masse de l’atome d’hydrogène est :matome = 2 × mnu + 1 × mematome = 2 × 1,67 × 10−27 + 1 × 9,11 × 10−31

matome = 3,34 × 10−27 + 9,11 × 10−31

matome = 3,34 × 10−27 kgLa masse du noyau est :mnoyau = 2 × mnumnoyau = 2 × 1,67 × 10−27 mnoyau = 3,34 × 10−27 kg3. matome = mnoyau donc on peut conclure que la masse des électrons est négligeable par rapport à la masse du noyau.

››SynthèseUn atome est constitué d’un noyau de charge électrique positive, entouré d’un cortège électro-nique composé d’électrons, de charge électrique négative.La charge électrique du noyau est de la même valeur que celle des électrons, et de signe opposé de celui des électrons. L’atome est donc électrique-ment neutre.La masse d’un atome est concentrée dans son noyau qui comporte des protons et des neutrons.Le neutron, neutre électriquement, a sensiblement la même masse que le proton.Le diamètre d’un atome est voisin de 10–8 cm, celui d’un noyau est cent mille fois plus petit.

49 ››AnalyseEn traversant une feuille d’or faite d’atomes, la quasi-totalité des particules alpha ne subit aucune déviation ; on peut affirmer qu’elles ne rencontrent aucun obstacle sur leur trajet. Ces particules tra-versent donc ces atomes sans rencontrer le noyau. Celui-ci doit être très petit par rapport à la taille de l’atome : on peut affirmer que l’atome est presque entièrement constitué de vide. On parle de struc-ture lacunaire de la matière.

››SynthèseLe quotient du volume de l’atome Vatome par le volume de son noyau Vnoyau est :

VVatome

noyau

= RR

3atome

3noyau

= ××

−

−

(1,44 10 )(7,00 10 )

10 3

15 3 = 8,70 × 1012

Le volume de l’atome est en effet beaucoup plus grand que celui du noyau, on peut confirmer les propos de Rutherford :« la matière, c’est presque entièrement du vide. »

50 Protocole expérimental :

• Placer les différents échantillons solides dans des tubes à essais (un échantillon par tube).• Ajouter dans chaque tube de l’eau dis-tillée, puis y verser quelques gouttes de thymolphtaléine.Si la solution prend une couleur bleue, il s’agit d’un alcalino-terreux, qui a donné des ions hydroxyde HO–. Dans le cas contraire, la solution reste incolore.

❚›p. 57

Manuel p. 38 Description microscopique de la matière

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